Видавничий центр ЛНУ ім. Івана Франка

Солтис М.М.

К О Л О Ї Д Н А Х І М І Я

Львів

Видавничий центр ЛНУ ім. Івана Франка

1. Загальні поняття та визначення.

При вивченні властивостей розчинів у середині XIX cтоліття дослідниками було зауважено, що поведінка деяких речовин є особливою і вони проявляють відмінність у фізико-хімічних властивостях від більшості речовин, які утворюють істинні, молекулярні розчини. Такі відмінності полягають у тому, що утворювані цими речовинами осади, або суспензії проникають через фільтр, розчини їх є прозорими в проходячому освітленні і проявляють явище опалесценції при боковому освітленні, не відділяються шляхом діалізу, проявляють малу швидкість дифузії та надзвичайно малий осмотичний тиск. До таких речовин, перш за все, були віднесені речовини, які не здатні кристалізуватися із розчинів (клахмал, желатин, молоко, альбумін та ін.).

На суттєву відмінність у поведінці розчинів таких речовин вказували такі авторитетні природодослідники, як Берцеліус, Сельмі, Фарадей та ін.

Особливо у цьому відношенні слід відмітити дослідження англійського вченого Томаса Грема, який відмітив, що до таких речовин належать такі, що здатні до утворення студнеподібних аморфних осадів речовини, і їм дав загальну назву к о л о ї д и, тобто від грецького слова клеєподібні. Інші ж речовини, які кристалізуються і їм не властиві такі специфічні влас-тивості стосовно дифузії та діалізу були названі к р и с т а л о ї д и.

Отже, враховуючи різницю по відношенню до дифузії та діалізу, порівняно невисоку стійкість колоїдних розчинів та їх змінність з часом, а також низку інших властивостей, спочатку Грем провів чіткиий поділ речовин та колоїди та кристалоїди. Згодом,

.результати наступних досліджень показали відносність такого різкого поділу і заставились відказатись від признання існування різкої границі і допустити можливість одержання колоїдних розчинів речовин, які знаходяяться в кристалічному стані.

На першому етапі дослідень серед хіміків сформувалось представлення, що здатність утворювати колоїдні розчини є специфічною особливістю окремих речовин. Згодом як альтернативу цим поглядам, грунтуючись на великому обсязі експериментального матеріалу та теоретичних положеннях, відомим вченим Вейнмаром було сформульовано ряд важливих положень, зокрема: не слід говорити про колоїди, як про речовини, які мають специфічну властивість утворювати колоїдні розчини і вважати колоїди та кристалоїди як окремі класи речовин, а слід говорити лише про колоідний стан речовини, у якому при відповідних умовах, можна одержувати будь-яку речовину і встановлено, що причиною такого стану є її дуже висока подрібненість, або дисперсність.

Дальший розвиток цих положень привів до більш широкого узагальнення поглядів на колоїдні розчини і їх представлення як д и с п е р с н і с и с т е м и. Будь-яка речовина може бути переведена у дисперсний стан при її більшому, чи меншому ступені подрібнення тобто дисперсності і ця речовина складає д и с п е рс н у ф а з у, яка є перервною. Дисперговані частинки знаходяться у іншій неперевній фазі, яка складає д и с п е р с і й н е с е р е д о в и щ е.

Таким чином, дисперсний стан можливий лише тоді, коли у системі наявними є не менше двох контактуючих фаз, тобто при умові гетерогенності. І особливості властивості такого стану якраз і зумовлені міжфазною взаємодією, що характеризується надлишкою поверхневою енергія, яка виникає внаслідок нескомпенсованості взаємодії між молекулами, які знаходяться безпосередньо на межі розділу фаз. Ефективність такої взаємодії залежить від хімічної природи та величини поверхні контактуючиж фаз і відносної частки цих молекул які знаходяться на поверхні по відношенню до їх кількості в об’ємі фази. Такий стан міжфазної взаємодії у системах може бути досягнутий двома шляхами: наявності у дисперсійному середовищі частинок надто малого розміру або ж високого ступеня дисперсності, тобто агрегатів молекул та речовин з розвинутою тонкопористою структурою, до яких, зокрема, належить активоване вугілля.

Значне зростання вільної поверхневої енергії завдяки великій площі міжфазного контакту приводить до корінних відмінностей у фізико-хімічних властивостях речовини у високодисперсному стані у порівнянні з властивостями цієї ж речовини в об’ємі фаз. При наближенні дисперсних частинок до молекулярних розмірів поняття поверхні розділу фаз з огляду молекулярно-статистичних представлень втрачає зміст. Неперервна кількісна зміна дисперсності приводить до стрибкоподібної якісної зміни властивостей системи завдяки її переходу від гетерогенного до однофазного гомогенного стану. З цього огляду є зрозумілим, що речовини у колоїдній області дисперсності наділені особливими властивостями, які відрізняються від їх стану у виді масивного зразку чи у виді молекул і іонів.

Oсобливість колоїдного стану зумовлена цим, що у системі появляється нова незалежна змінна – дисперсність, функцією якої (переважно екстремального виду) стають усі властивості. Це веде до ускладнення фізико-хімічних закономірностей, які у переважній більшості були встановлені для ідеальних систем (ідеальних газів, розведених розчинів і ін) з перспективою їх ускладнення при переході до реальних систем. Реальні тіла взаємодіють з навколишнім середовищем через поверхню. Тому є необхідним вивчення особливих властивостей поверхневих шарів для розуміння структури реальних систем та механізмів відповідних процесів, які протікають у них. Тому врахування особливостей переходу до реальних тіл, матерілів та процесів можливе на основі колоїдно-хімічного підходу.

Головна особливість колоїдного стану полягає у тому, що значна частка маси та вільної енергії системи знаходиться у міжфазних поверхневих шарах. Якщо ж врахувати, що поверхня реальної частинки твердої фази має різну кривизну, а також виступи, впадини, тобто є неоднорідною, то силове поле і відповідно локальне значення поверхневої енергії є різним на різних ділянках поверхні, то дві системи одного і цього ж складу можуть виявитись енергетично нерівноуінними. Тому при переході до колоїдного стану зустрічаємось з такими властивостями системи як невідтворимість, або її індивідуальність. Прикладом може служити добре відпрацьований і стандартний технологічний процес одержання активованого вугілля, при якому зразки продукції по важливіших параметрах не завжди є ідентичними.

У високодисперсних системах надлишок вільної поверхневої енергії зумовлює їх термодинамічну нестійкість і це спричиняє протікання самочинних процесів спрямованих на пониження цього надлишку енергії шляхом пониження дисперсності. В цих умовах, не дивлячись на те, що в системі залишається сталим хімічний склад, з часом змінюються енергетичні характеристики та,віповідно, колоїдно-хімічні властивості. Такі колоїдно-хімічні особливості, як нестабільність, невідтворимість, структуро-утворення, лабільність є надзвичайно важливими у біології розвитку живих організмів. Колоїдний рівень матерії, високомолекулярний чи надмолекулярний стан є основою процесу життєдіятьності і цей стан можна вважати проміжною ланкою між біологією та хімією. Тому перспективним є застосування колоїдно-хімічного підходу при вирішенні комплексних проблеми у біології, медицині та інших галузях науки.

Важливе значення колоїдної хімії у сільському господарстві, зокрема, грунтознавстві. Відповідні процеси іонного обміну, капілярної рухливості поживних речовин та структурування грунтів є важливими засадами агрохімії та необхідними умовами родючості грунтів.

Практичне застосування колоїдної хімії є надто щироким і перспективним. Важко назвати галузь промисловості де б не використовувалась колоїдна хімія. Майже на кожному кроці ми зустрічаємось з дисперсними системами та поверхневими явищами. Це є харчова, легка, фармацевтична, лакофарбова, гірничодобувна, хімічна промисловість, виробництво штучного волокна, пластмас, синтетичного каучуку, паперу, будівельних матеріалів та інші традиційні галузі. Розвиток сучасних інформаційних технологій, електроніки, комп’ютерної техніки, космічної та мембранної техніки є неможливим без широкого застосування колоїдно-хімічних представлень.

Класифікація дисперсних систем.

Дисперсні системи можуть бути поділені по різних признаках. Одним із таких признаків є величина дисперсних частинок, обо ступінь їх дисперсності. Експериментально було встановлено, що колоїдний стан є властивим для широкого діапазону розмірів частинок. З однієї сторони цей діапазон межує з системи молекулярного стану, тобто гомогенними системами, які складають окремі атоми чи молекули. З другої сторони - частинки великого розміру, при яких поверхня не проявляє замітного впливу на властивості системи у цілому. Необхідно зауважити, що ці межі не є чітко окресленими. Згідно цього признаку дисперсні ситеми можна поділити на три типи: грубодисперсні, або грубі суспензії (розмір частинок r > 1×10^-3 см), системи проміжної дисперсності (r ¸ 1×10^-4 –10^-5 см) і тонкодисперсні, або колоїдні золі (r ¸ 1×10^-6 - 10^-7 см). З о л я м и називають високодисперсні системи, або типові колоїдні розчини. Термін колоїдні розчини стосують переважно для того випадку, коли дисперсна фаза є твердою, а дисперсійне середовище - рідина. Якщо ж дисперсійне середовище - вода, то системи можуть називати гідрозолями, якщо ж органічна рідина – органозолі. Системи з газоподібним дисперсійним середовищем визначаються як аерозолі. Поділ на грубодисперсні та високодисперсні системи в основному проведено на основі таких властивостей систем, як проходження частинок через відповідні фільтри, здатності їх до процесів дифузії та діалізу та виявлення з допомогою мікроскопу. На рис.1 подані діапазони розмірів дисперсних систем та відповідні їм фільтри та пористі матеріали, які також за основними признаками, а саме, великими розмірами поверхні розділу фаз, є об’єктами вивчення колоїдної хімії.

При розгляді дисперсних систем на перший погляд здається, що при переході від грубих суспензій через високодисперсний колоїдний стан до молекулярних. або іонних систем не повинно бути між ними чітко вираженої різниці. Якщо таку межу важко провести в діапзоні великих розмірів колоїдних частинок, то при переході молекулярного стану має місце явно виражена якісна відмінність.

В таблиці 1 наведені приклади деяких колоїдних систем різного ступеня дисперсності.

Таблиця 1. Розміри частинок окремих дисперсних систем.

Грубодисперсним системам властивим є осідання частинок у гравітаційному полі та частинки таких розмірів не прохолять через паперові фільтри і їх можна спостнрігати з допомогою звичайного мікроскопу. Частинки високодисперсних систем проходять через звичайні фільтри, але затримуються на ультрафільтрах і не є видимими в оптичний мікроскоп.

Часто поділ дисперсних систем проводять по агрегатному стані складників окремих фаз. Враховуючи це, що дисперсна фаза і дисперсійне середовище можуть знаходитись у трьох агрегатних станах, то число можливих комбінацій є 9. Але газові суміші є взаємнорозчинними, не утворюють дисперсних систем і це виключає одну комбінацію із 9 видів (табл.2). Скорочено вид дисперсної системи записуть у виді дробу, чисельник якого є перша буква назви агрегатного стану дисперсної фази, а знаменник - дисперсійного середовища.

Необхідною умовою колоїдного стану є обмежена взаємна розчинність дисперсної фази та дисперсійного середовища, але загальність такого стану для реальних систем включає не тільки статичні, але і динамічні умови. Так, флуктуації густини газів, недивлячись на короткий час їх існування, приводять до утворення у гомогенному середовищі гетерогенних утворень з властивостями дисперсної фази. Аналогічні властивості мають місце тоді, коли дефекти комірок реальних кристалів досягають коллоїдних розмірів. У рідинах такі властивості проявляються при утворенні асоціатів, рідкокристалічгоно стану. Наведені факти свідчать про це, що рідко зустрічаються такі реальні тіла, які не мали б признаків чи властивостей дисперсних систем.

Таблиця 2. Поділ дисперсних систем за агрегатним станом.

Класифікацію колоїдних систем проводять також ще по одному признаку - взаємодії між речовинами дисперсної фази та дисперсного середовища, в основі якої є сили міжмолекулярної взаємодії, що проявляються по-різному в залежності від хімічної природи молекул контактуючих фаз. На основі цієї ознаки дисперсні системи поділяють на л і о ф і л ь н і та л і о ф о б н і. Якщо ж дисперсійним середовищем є вода то маємо системи г і д –

р о ф о б н і та г і д р о ф і л ь н і. Ці назви походять від грецьких слів, перша частина яких (ліо-, гідро-) визначають природу дисперсійного середовища – органічна рідина чи вода. Друга ж частина слів (phileo – люблю, phobos - боязнь,) означає високий рівень споріднення чи відторгнення між молекулами взаємодіючих фаз. Отже ліофільність системи є тотожною гідрофобності, а ліофобність – гідрофільності. Для ліофільних систем характерним є сильна міжмолекулярна взаємодія речовини дисперсної фази з середовищем, яка приводить до сольватації (гідратації). Такі системи є термодинамічно стійкими і вони утворюються самочинно.

Це можливо у тому випадку, коли зростання вільної поверхневої енергії внаслідок збільшення величини міжфазної поверхні компенсується пониженням ентальпії системи вналідок сольватації.

До таких систем, крім типових колоїдних систем (бентонітові глини), відноситься значне число речовин, які складаються з великих молекул співмірних з розміром колоїдних систем, які самовільно переходять у розчин, утворюючи асоціати проявлють властивості колоїдних систем. Це є як неорганічні (кремнева, вольфрамова кислоти) так і високомолекулярні органічні речовини природного та синтнтичного походження (клітковина, крохмал, декстрин, желатин, білки, каучуки, детергенти, полімери різної природи), які знаходять широке практичне застосування.

До ліофобних систем відносяться гідрозолі металів, оксидів та солей металів, органічних речовин та інших типових колоїдних систем, у яких взаємодія з дисперсним середовищем є малою, що це зумовлює їх термодинамічну нестабільність і їх одержання вимагає значних енергетичних затрат ззовні.